Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Een protocol voor elektrochemische Evaluaties en State of Charge Diagnose van een Symmetric Organic Redox Flow Battery

Published: February 13, 2017 doi: 10.3791/55171
Automatic Translation
*1,2, *1,3, 3, 1,4, 1,2
1Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), 2Energy & Environment Directorate, Pacific Northwest National Laboratory, 3Earth & Biological Systems Directorate, Pacific Northwest National Laboratory, 4Physical & Computational Sciences Directorate, Pacific Northwest National Laboratory
* These authors contributed equally

Summary

We presenteren de protocollen voor elektrochemisch evalueren van een symmetrische niet-waterige organische redox flow accu en voor het diagnosticeren van de toestand van de lading met behulp van FTIR.

Abstract

Redox flow batterijen zijn beschouwd als een van de meest veelbelovende stationaire opslag van energie-oplossingen voor het verbeteren van de betrouwbaarheid van het elektriciteitsnet en de inzet van hernieuwbare energietechnologieën. Onder de vele stroom batterijsystemen, niet-waterige stroom batterijen hebben het potentieel om hoge energiedichtheid te bereiken vanwege de brede ramen spanning van niet-waterige elektrolyten. Echter, belangrijke technische hindernissen bestaan momenteel het beperken van niet-waterige stroom accu's om hun volledige potentieel, zoals een lage redox concentraties, lage operationele stromen, onder-verkend batterijstatus monitoring, enz. In een poging om deze beperkingen aan te pakken aan te tonen, hebben we onlangs melding gemaakt van een niet-waterige stroom batterij op basis van een sterk oplosbare, redox-actieve organische nitronyl nitroxideradicaal verbinding, 2-fenyl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxide (PTIO). Deze redox materiaal vertoont een ambipolaire elektrochemische eigendom, en kan daarom als zowel anolyt te dienene en katholyt redox materialen om een ​​symmetrische stroming batterijchemie vormen. Bovendien hebben we aangetoond dat Fourier transform infrarood (FTIR) spectroscopie kon de PTIO concentraties te meten tijdens de PTIO stroom batterij fietsen en bieden een redelijk nauwkeurige detectie van de batterij laadtoestand (SOC), cross-gevalideerd door electron spin resonantie (ESR) metingen . Hierin presenteren we een video-protocol voor de elektrochemische evaluatie en SOC diagnose van de PTIO symmetrische stroom batterij. Een gedetailleerde beschrijving, proefondervindelijk aangetoond dat de route voor deze doeleinden te bereiken. Dit protocol is bedoeld om meer belangen en inzichten over de veiligheid en betrouwbaarheid op het gebied van niet-waterige redox flow batterijen vonk.

Introduction

Redox flow batterijen op te slaan energie in vloeibare elektrolyten die zijn opgenomen in de externe reservoirs en worden gepompt om de interne elektroden elektrochemische reacties te voltooien. De opgeslagen energie en kracht kan dus worden ontkoppeld leidt tot uitstekende design flexibiliteit, schaalbaarheid en modulariteit. Deze voordelen maken stroom accu's zeer geschikt voor stationaire opslag van energie toepassingen voor de integratie van schone nog intermitterende hernieuwbare energiebronnen, het verhogen van net gebruik van activa en de efficiëntie, en verbetering van de energie veerkracht en veiligheid. 1, 2, 3 Traditionele waterige stroom batterijen lijdt aan beperkte energiedichtheid, vooral door de smalle spanningsvenster water elektrolyse te vermijden. 4, 5, 6, 7, 8 Daarentegen vereist de niet-aquelende elektrolyten gebaseerd stroom batterijen worden op grote schaal voortgezet, omdat de kans op het bereiken van hoge cel spanning en hoge energiedichtheid. 9, 10 In deze inspanningen is een verscheidenheid van stroming batterijsystemen onderzocht, waaronder metaal-coördinatiecomplexen, 11, 12 volledig organische, 13, 14 redox-actieve polymeren, 15 en lithium hybride troomsystemen. 16, 17, 18, 19

Echter, het potentieel van niet-waterige stroom accu is nog niet volledig aangetoond dat als gevolg van de grote technische knelpunt van de beperkte demonstratie onder stroom batterij-relevante voorwaarden. Dit knelpunt is nauw verbonden met een aantal krachtige beperkende factoren. Eerste,de kleine oplosbaarheid van de meeste elektroactieve materialen leidt tot levering lage energiedichtheid van niet-waterige stroom cellen. Ten tweede wordt de snelheid mogelijkheid van niet-waterige stroom batterijen grotendeels beperkt door de hoge viscositeit elektrolyt en weerstand bij relevante concentraties redox. De derde factor is het gebrek aan hoogwaardige membranen. Nafion en keramische membranen vertonen lage ionische geleidbaarheid met niet-waterige elektrolyten. Poreuze scheiders hebben aangetoond fatsoenlijk flow cel prestaties, maar lijden onder een aanzienlijke zelfontlading wegens de relatief grote poriën. 14, 20 Typisch gemengde reactant elektrolyten die zowel anolyt en katholyt redox materialen (1: 1 verhouding) worden gebruikt om redox materialen crossover, die echter offert de effectieve redox concentraties, kenmerkend met de helft verminderen. 14, 21 overwinnen van de bovengenoemde bottleneck zijn verbeteringen nodig materIALS ontdekking, batterij chemie ontwerp, en de stroom cel architectuur om de batterij-relevante fietsen te bereiken.

Batterijstatus controle is essentieel belang voor een betrouwbare bedrijfsvoering. Off-normale omstandigheden waaronder overbelasting, gasontwikkeling en materiële afbraak kan schade veroorzaken aan de prestaties van de batterij en zelfs uitval van de accu. Vooral voor grootschalige stroom accu's waarbij grote hoeveelheden van de batterij materialen, kunnen deze factoren ernstige veiligheidsproblemen en investeringen veroorzaken. Laadtoestand (SOC) het beschrijven van de diepte van de lading of lozing van stroom accu's is een van de belangrijkste batterijstatus parameters. Tijdige SOC controle kunnen potentiële risico's op te sporen voordat ze bedreigend niveaus te bereiken. Dit lijkt echter gebied worden reeds tijdens geadresseerde, met name in niet-waterige stroom batterijen. Spectrophotoscopic methoden zoals ultraviolet-zichtbare (UV-vis) spectroscopie en elektrolyt geleidbaarheidsmetingen zijn geëvalueerd in een waterige stroom batte ry voor SOC bepalen. 22, 23, 24

We hebben onlangs een nieuw symmetrische niet-waterige stroom batterij ontwerp gebaseerd op een nieuwe ambipolaire redoxmateriaal, 2-fenyl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxide (PTIO). 25 Deze stroom batterij houdt de belofte aan de bovengenoemde uitdagingen van de niet-waterige stroom accu's aan te pakken. Eerst PTIO een hoge oplosbaarheid (2,6 M) in de batterij oplosmiddel acetonitril (MeCN), die belooft een hoge energiedichtheid mogelijk. Anderzijds PTIO vertoont twee reversibele redoxparen die matig worden gescheiden en kan dus een symmetrische batterijchemie vormen zelf. We hebben ook aangetoond dat een onderscheiden PTIO piek in de FTIR spectra kunnen worden gecorreleerd met de concentratie van ongereageerde PTIO in de stroomcel, die leidt tot de bepaling van de SOC spectroscopische, cross-gevalideerd door ESR resultaten.lass = "xref"> 26 Hier presenteren we een protocol om de procedures voor elektrochemische evaluaties en FTIR-gebaseerde SOC diagnose van de PTIO symmetrische stroom batterij werken. Deze werkzaamheden zullen meer inzichten leiden bij het handhaven van de veiligheid en betrouwbaarheid tijdens langdurige flow accu zijn, met name in realistische raster toepassingen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Opmerking: Alle oplossing voorbereidingen, cyclische voltammetrie (CV) testen het, en flow cel assemblage en testen werden uitgevoerd in een met argon gevulde handschoenenkastje uitgevoerd met water en O 2 niveaus minder dan 1 ppm.

1. Elektrochemische Evaluaties van PTIO Flow Cellen

  1. CV Test
    1. Pools een glasachtige koolstof elektrode met 0,05 micrometer gamma-aluminiumoxide poeder, spoelen met gedemineraliseerd water, zet het in onder vacuüm bij kamertemperatuur gedurende de nacht, en over te dragen in een handschoenenkastje.
    2. Ontbinden zilvernitraat (8,5 mg) met MeCN (5 ml) in het handschoenenkastje, dat wil zeggen 10 mmol Agno 3. Voeg de oplossing in de glazen buis van een zilver / zilvernitraat referentie-elektrode.
    3. Monteer het glasachtige koolstof werkelektrode, een grafietvilt strip tegenelektrode, en het zilver / zilvernitraat referentie-elektrode op een 25 ml driehalskolf peervormige kolf.
    4. Ontbinden PTIO (52 mg) en tetrabutylammonium hexafluorophosphate (TBAPF 6, 0,87 g) in MeCN (1,10 g), dat wil zeggen 0,1 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. Voeg de oplossing aan de kolf aan de uiteinden van de drie elektroden onder te dompelen.
    5. Sluit de elektroden aan een elektrochemische werkstation. Meet de CV curves binnen het spanningsbereik van -1.75-0.75 V bij een scansnelheid van 100 mV / s. Bepaal de theoretische celspanning van de batterij PTIO stroming door de potentiële spleet tussen de twee redoxparen.
      OPMERKING: Opgemerkt wordt dat de Ag / Ag + referentie-elektrode configuratie een pseudo-referentie-elektrode van aard is. Als gevolg daarvan kan redox pieken verschuiven tijdens langdurige CV metingen. Toch dergelijke verschuiving heeft normaal gesproken een nalatige invloed op de spanning kloof tussen redox-koppels, en zou geen invloed op de cel spanning.
  2. Flow Cell Assembly
    1. Snijd het grafiet vilt om een gebied van 1 x 10 cm 2 met een scheermesje. Op dezelfde manier, snijd een poreus septemberArator om een gebied van 3 x 12 cm 2.
    2. Droog de flow accu delen (celcompartimenten, slangen, 5 ml glazen flesjes, grafiet vilt, en een poreuze separator) in een vacuümoven bij 70 ° C overnacht, verplaatsen in de handschoenenkast en afkoelen tot de omgevingstemperatuur.
    3. Monteer de stroomcel delen in de orde van een eindplaat, een koperplaat stroomcollector een halfcel, een grafietvilt, een pakking, een poreuze separator, een grafietvilt, een halfcel, een koperplaat stroomcollector en een eindplaat. Bevestig de montage met acht draadeinden tegen de twee eindplaten met behulp van een momentsleutel vooraf vastgesteld op 125 inch pond. Sluit de elektrolytstroom leidingen naar de stroomcel. De cel samenstel is weergegeven in figuur 1.
  3. Demonstratie van symmetrische Elektrochemie
    1. Monteer de stroom cel volgens paragraaf 1.2. Ontbinden PTIO (10 mg) en TBAPF 6 (3,3 g) met MeCN (4,4 g) in de glove doos, dat wil zeggen, 5,0 mm PTIO / 1,0 M TBAPF 6. Voeg 4 ml van de oplossing in elk van de twee glazen flesjes. Pomp de elektrolyten te stromen met een peristaltische pomp met een stroomsnelheid van 20 ml / min.
    2. Sluit de positieve en negatieve stroomcollectoren van de stroomcel naar de batterij tester. Laad de stroom cel met een constante stroom dichtheid van 5 mA / cm2 totdat de spanning bereikt 1,9 V. Stop met het opladen. Pomp de elektrolyten in de glazen flesjes.
    3. Meng een 1 mL positieve elektrolyt met een 1 mL negatieve elektrolyt in een apart flesje. Nu zijn er vier elektrolyten: het origineel, de positieve, negatieve, en de gemengde.
    4. Meet elektronenspinresonantie (ESR) spectrum van deze vier elektrolyten. 25
      1. Met buis afdichtmiddel, zegel een kleine hoeveelheid (~ 10 pi) van de positieve en negatieve in een PTFE-buis (1/16 "OD en 1/32" ID) aan beide uiteinden, en verzegelen in een kwarts buis ESR (4 mm diameter).
      2. Monteer de ESR slang aan op een ESR spectrometer uitgerust met een SHQE resonator met magnetron frequentie ~ 9,85 GHz (X-band).
      3. Verzamel de ESR spectrum voor de vier elektrolyten in paragraaf 1.3.3.
  4. Flow Cell Test
    1. Monteer een flow cel volgende paragraaf 1.2.
    2. Ontbinden PTIO (1,05 g) en TBAPF 6 (3,50 g) met MeCN (3,60 g) in het handschoenenkastje, dat wil zeggen, 0,5 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. Voeg 4 ml van de oplossing in elk glazen flesje. Stromen de elektrolyten bij 20 ml / min.
    3. Sluit de positieve en negatieve stroomcollectoren van de stroomcel een elektrochemische werkstation. Meet de impedantie van de doorstroomcel in het frequentiegebied van 100 kHz tot 1 Hz in de open circuit potentiaal. Bereken de oppervlakte-specifieke weerstand (ASR) door vermenigvuldiging van de ohmse weerstand (hoogfrequente impedantie) van het actieve gebied van de stroomcel.
    4. Sluit de positieve en negatieve stroom collectoren van de stroomcel naar de batterij tester. Stel de spanning cutoffs van 0,8 en 2,2 V en de constante stroom van 20 mA cm-2 in het batterijgebruik software. Herhaaldelijk laad / ontlaad de PTIO stroom cel.

2.-FTIR gebaseerde SOC Bepaling

  1. FTIR Haalbaarheid Validation
    1. Bereid de volgende drie elektrolyt-oplossingen in het dashboardkastje: (a) MeCN (0,50 g); (b) TBAPF 6 (0,23 g) met MeCN (0,30 g), dat wil zeggen, 1,0 M TBAPF 6; (c) PTIO (75 mg) en TBAPF 6 (0,25 g) met MeCN (0,26 g), dat wil zeggen 0,5 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6.
    2. Meet FTIR voor de drie elektrolytoplossingen.
      1. Voeg een klein volume (~ 0,05 ml) van elke oplossing naar een gesloten cel met FTIR KBr ramen en een weglengte van 0,2 mm. Sluit de FTIR cel.
      2. Zet de FTIR cel in een opslagcontainer en overbrengen uit de handschoenkast.
      3. snel mount FTIR cel een spectrometer en verzamel de FTIR spectrum.
    3. Monteer een flow cel volgende paragraaf 1.2.
    4. Ontbinden PTIO (1,05 g) en TBAPF 6 (3,50 g) met MeCN (3,60 g) in het handschoenenkastje, dat wil zeggen, 0,5 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. Voeg 4 ml van de oplossing in elk glazen flesje. Stromen de elektrolyten bij 20 ml / min.
    5. Volledig op te laden de stroom cel totdat de spanning bereikt 2.2 V. Stop met het laden en de pomp.
    6. Meet de FTIR spectra voor zowel de positieve als negatieve elektrolyten, respectievelijk, volgens de procedure van paragraaf 2.1.2.
    7. Bereid een reeks oplossingen PTIO (0,05-0,5 M) in 1,0 M TBAPF 6 in MeCN in de handschoenkast met de samenstellingen in Tabel 1.
    8. Meet de FTIR spectrum voor elk van de oplossingen in Sectie 2.1.6, volgens de procedure van paragraaf 2.1.2.
  2. FTIR meting van SOC
    1. Monteer een flow cel following paragraaf 1.2.
    2. Ontbinden PTIO (2,9 g) en TBAPF 6 (9,6 g) met MeCN (9,8 g) in het handschoenenkastje, dat wil zeggen, 0,5 M PTIO / 1,0 M TBAPF 6. Voeg 11 mL van de oplossing in elk van de twee glazen flesjes. Stromen de elektrolyten bij 20 ml / min.
    3. Laad de stroomcel bij een constante stroom van 10 mA / cm2 bij een stroomsnelheid van 20 ml / min.
    4. Op de laadtijd van 0, 18, 36, 54, en 72 min, stopt de cel lading en elektrolyt flow, neem kleine porties (0,2 ml) van de elektrolyten uit anolyt en katholyt kant glazen flesjes, en dan weer de cel.
    5. Meet de FTIR spectrum voor de bovengenoemde vijf monster porties, volgens de procedure in paragraaf 2.1.2.
    6. Meet de ESR spectrum voor de bovengenoemde vijf monster porties, volgens de procedure in paragraaf 1.3.4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De unieke voordelen van de symmetrische stroming PTIO batterijsysteem zijn zeer toegeschreven aan de elektrochemische eigenschappen van PTIO, een organische radicaal nitroxide verbinding. PTIO kunnen elektrochemische disproportioneringsreacties ondergaan onder vorming PTIO + en PTIO - (Figuur 2a). Deze twee redoxparen zijn matig gescheiden door een spleet spanning van -1,7 V (figuur 2b) en kan gebruikt worden als anolyt en katholyt redox materialen in een symmetrische batterij chemie. PTIO gebruikt als redox materiaal kan de noodzaak voor mix-reactant elektrolyten te elimineren en maken hoge effectieve redox concentraties.

De reactie tussen PTIO + en PTIO - regenereert spontaan de originele PTIO, zoals blijkt uit het herstel van de ESR signaal van PTIO na het mengen PTIO + en PTIO - bij gelijke molaire concentrations (Figuur 2c). In deze stroom batterij, de crossover van geladen species PTIO (PTIO + of PTIO -) niet leidt tot uiteenlopende chemische en materiaalverlies, wat leidt tot minimale onomkeerbare crossover. De PTIO stroomcel geleverd fatsoenlijke fietsen efficiëntie in een redox concentratie van 0,5 M PTIO en met een stroom van 20 mA / cm; een gemiddelde Coulomb-efficiëntie (EG) van ~ 90%, spanning efficiëntie (VE) van 67%, en energie-efficiëntie (EE) van 60% verkregen (Figuur 2d). De lage VE werd geregistreerd door de relatief hoge cel ASR van 21,2 Ω cm 2 die nauw werd geassocieerd met een beperkte ionische geleidbaarheid op zo'n hoge concentratie elektrolyt. Ondanks de capaciteit vervagen, heeft de PTIO stroomcel aangetoond operationele redoxmateriaal concentratie, stroomdichtheid en celrendement aanzienlijk hoger dan veel andere niet-waterige RFBs die typisch gefietst dichtbij 0,1 M concentratie met stroomdichtheden minder than 0,5 mA / cm 2, en / of EE niet hoger dan 50%. 27, 28, 29, 30

FTIR succesvol zijn kwalificaties gevalideerd als een geschikte SOC diagnose instrument voor de PTIO flow accu, vanwege de karakteristieke FTIR piek bij 1218 cm -1 dat waarschijnlijk overeenkomt met het NO binding. 31 Ten eerste, de ondersteunende MeCN oplosmiddel en TBAPF 6 zout te verwaarlozen Storingspieken op deze positie (figuur 3a). Tweede FTIR onderscheid tussen de drie redox soorten PTIO, vooral verdwijnen van deze piek voor PTIO + katholyt aan de zijkant (Figuur 3b). Ten derde, de intensiteit (T) van deze piek toont een sterke afhankelijkheid van de PTIO concentratie (Figuur 3c en inzet), dat wil zeggen, een lineaire -log (T)vs. [PTIO] standaard relatie (vergelijking 1) wordt verkregen op basis van de Wet bier-Lambert:
Vergelijking (1)

De vijf aliquots monster genomen van de katholyt zijde (figuur 4a) gebruikt om de SOC van de PTIO stroomcel bepalen. Naarmate de laadtijd uitgegaan van Sample # 0 tot # 4, de intensiteit van de 1218 cm -1 piek continu afgenomen als gevolg van de consumptie van PTIO (Figuur 4b); zo was de ESR signaal (Figuur 4c). De concentratie onomgezet PTIO in deze monsters werden bepaald door de FTIR intensiteiten van de 1218 cm -1 piek volgens vergelijking 2, dat vervolgens werd gebruikt voor de volgende Vergelijking 2. SOC berekening Zoals getoond in figuur 4d, zoals verkregen [PTIO] en SOC van deze monsters zijn in nauw overleg met de ESR metingen, die lijkt te zijn van een goede cross-validatie zijn.
(2)

De onderdelen en montage van de stroom cel die in deze studie worden getoond in Figuur 1. De elektrochemische prestaties van de symmetrische PTIO flow accu, waaronder redoxreacties, CV krommen, ESR validatie van de symmetrische vormgeving voordelen en stromen celcyclus data, getoond in figuur 2. De haalbaarheid validatie van FTIR gebruikt als een geschikte methode om de SOC van de batterij stroom PTIO bepalen is weergegeven in figuur 3. FTIR-gebaseerde SOC bepalingen, zoals de voltage curve van de stroomcel, het SOC verkregen uit FTIR en cross-gevalideerd door ESR, en een voorgestelde online diagnostisch systeem, getoond in figuur 4.

Figuur 1
Figuur 1: De foto van de stroom cel tage. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2
Figuur 2: elektrochemische prestaties van PTIO. (A) de redoxreacties van PTIO tot PTIO + (katholyt zijde) en PTIO - (anolyt kant), respectievelijk; (B) 500 cycli vrijwel overlappende CV curven PTIO een glasachtige koolstofelektrode; (C) ESR spectra die de reactie tussen PTIO + en PTIO - regenereert de oorspronkelijke PTIO; (D) cycling capaciteit en de doeltreffendheid van de 0,5 M PTIO stroomcel. Dit cijfer is aangepast uit referentie 25. krijgen = "_ blank"> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 3
Figuur 3: Haalbaarheid validatie voor het gebruik van FTIR om de SOC van de PTIO stroom batterij te bepalen. (A) FTIR spectra MeCN, 1,0 M TBAPF 6 in MeCN en 0,5 M PTIO in 1,0 M TBAPF6 in MeCN; (B) FTIR spectra van PTIO, PTIO +, en PTIO - (0,5 M in 1,0 M TBAPF 6 in MeCN); (C) FTIR spectra van standaard PTIO oplossingen in 0,05 M tot 0,5 M met een 0,05 M interval. Dit cijfer is aangepast uit referentie 25. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Pbelasting / 55171 / 55171fig4.jpg "/>
Figuur 4: FTIR-gebaseerde diagnostiek SOC. (A) de laadspanning curve van een 0,5 M PTIO stroomcel met vijf aliquots monster (# 0, 1, 2, 3, 4) van de cel onttrokken tijdens het laden; (B) FTIR en (c) ESR spectra van de vijf aliquots katholyt monster; (D) niet-omgezette PTIO concentraties en flow cel SOC verkregen uit FTIR metingen en cross-gevalideerd met ESR metingen; (E) een schema van een batterij stroom inrichting die met online FTIR bewakingssensoren. Dit cijfer is aangepast uit referentie 25. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

PTIO Conc. (M) 0.05 0,1 </ Td> 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
MeCN 0,301 g 0,295 g 0,273 g 0,25 g 0,291 g 0,255 g 0,242 g 0,232 g 0,243 g 0,263 g
TBAPF 6 0,233 g 0,233 g 0,223 g 0,21 g 0,247 g 0,222 g 0,214 g 0,213 g 0,225 g 0,255 g
PTIO 0,007 g 0,014 g 0,02 g 0,025 g 0,037 g 0,04 g 0,045 g 0,051 g 0,061 g 0,076 g

Tabel 1: Samenstellingen van de PTIO standaardoplossingen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Zoals eerder aangetoond, 25 FTIR kan niet-invasieve detectie van de SOC van de batterij stroom PTIO. Als diagnostisch middel, FTIR bijzonder gunstig vanwege de goede bereikbaarheid, snelle respons, lage kosten, weinig plaats nodig, eenheid voor online bijmenging geen detector verzadiging, en het vermogen om structurele informatie correleren met moleculaire evolutie tijdens stroming batterijbedrijf onderzoeken. Figuur 3e toont een voorgestelde stroom batterij-apparaat te integreren online FTIR sensoren die real-time bewaking SOC voor veilige bedrijfsvoering mogelijk maakt.

Om een ​​betere uitvoering van het protocol voor elektrochemische evaluatie en FTIR-gebaseerde SOC diagnostiek, een lucht-vrije omgeving is essentieel belang; anders zullen de redox-stof ten laste toestanden reageren met O 2 of vocht leidt tot materiaaldegradatie en onnauwkeurige metingen SOC. Strikt afsluitbare FTIR cellen moeten wordengebruikt Luchtcontact de elektrolyten te voorkomen. Bovendien, omdat deze techniek is alleen bruikbaar voor FTIR-gevoelige redox materialen, de haalbaarheid validatie door middel van het identificeren goed onderscheiden karakteristieke FTIR pieken is een kritische stap.

Gezien de beperkte selectiviteit batterij membranen redoxmateriaal crossover onvermijdelijk meeste stroom batterijen, die typisch veroorzaakt irreversibele capaciteit vervagen. In dit opzicht is de symmetrische stroming batterij heeft de potentie om dit bezwaar te ondervangen. In de PTIO flow accu, worden alle cross species worden omgezet in de oorspronkelijke PTIO. Theoretisch zou het capaciteitsverlies veroorzaakt door materiaal crossover worden teruggevorderd door remixen de elektrolyten, vergelijkbaar met vanadium stroom batterijen. 32 Daarom is de symmetrische batterij ontwerp belooft om duurzame, betrouwbare energie-opslag systemen te ontwikkelen. De belangrijkste beperking van de huidige PTIO systeem is dat de PTIO - (anolytzijde) onvoldoende stabiel door geleidelijk optredende nevenreacties. Een dergelijk materiaalverlies verklaart de capaciteit verkleuring waargenomen in PTIO stroomcellen. Ontwikkeling van nieuwe ambipolaire redox materialen met een hoge chemische stabiliteit in alle oxidatietoestanden is de toekomstige richting om het volledige potentieel van deze batterij ontwerp tonen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Dit werk werd financieel ondersteund door het Gemeenschappelijk Centrum voor Onderzoek Energy Storage (JCESR), een Energy Innovation Hub gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie, Office of Science, Basic Energy Sciences. De auteurs ook Journal of Materials Chemistry A (een Royal Society of Chemistry tijdschrift) erkennen voor oorspronkelijk publicatie van dit onderzoek ( http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/ta/c6ta01177b ). PNNL is een multi-programma nationale laboratorium worden aangedreven door Battelle voor DOE onder contract DE-AC05-76RL01830.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
PTIO TCI America A5440 >98.0%
Tetrabutylammonium hexafluorophosphate Sigma-Aldrich 86879 electrochemical grade, ≥99.0%
MeCN BASF 50325685 Battery grade
Silver nitrate Sigma-Aldrich 204390 99.9999% trace metals basis
Gamma alumina powder CH Instruments CHI120
Graphite felt SGL GFD3 Vacuum-dry at 70 °C for 24 h
Porous separator Daramic AA800 Vacuum-dry at 70 °C for 24 h
Battery Tester Wuhan LAND electronics Co., Ltd. Lanhe 1 A current range
Electrochemical Workstation Solartron Analytical ModuLab
glove box MBRAUN Labmaster SP oxygen and water levels <1 ppm
ESR spectrometer Bruker  Elexsys 580  Equipped with an SHQE resonator with microwave frequency ~9.85 GHz (X band) at 2 mW power, with 100 kHz field modulation

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Dunn, B., Kamath, H., Tarascon, J. M. Electrical Energy Storage for the Grid: A Battery of Choices. Science. 334 (6058), 928-935 (2011).
  2. Yang, Z. G., et al. Electrochemical Energy Storage for Green Grid. Chem. Rev. 111 (5), 3577-3613 (2011).
  3. Wang, W., Luo, Q., Li, B., Wei, X., Li, L., Yang, Z. Recent Progress in Redox Flow Battery Research and Development. Adv. Funct. Mater. 23 (8), 970-986 (2013).
  4. Skyllas-Kazacos, M., Chakrabarti, M. H., Hajimolana, S. A., Mjalli, F. S., Saleem, M. Progress in Flow Battery Research and Development. J. Electrochem. Soc. 158 (5), 55-79 (2011).
  5. Weber, A. Z., et al. Redox Flow Batteries: A Review. J. Appl. Electrochem. 41 (10), 1137-1164 (2011).
  6. Noack, J., Roznyatovskaya, N., Herr, T., Fischer, P. The Chemistry of Redox-Flow Batteries. Angew. Chem. Int. Ed. 54 (34), 9775-9808 (2015).
  7. Soloveichik, G. L. Flow Batteries: Current Status and Trends. Chem. Rev. 115 (20), 11533-11558 (2015).
  8. Leung, P., Li, X., de Leon, C. P., Berlouis, L., Low, C. T. J., Walsh, F. C. Progress in Redox Flow Batteries, Remaining Challenges and Their Applications in Energy Storage. RSC Adv. 2 (27), 10125-10156 (2012).
  9. Gong, K., Fang, Q., Gu, S., Li, S., Yan, Y. Nonaqueous Redox-Flow Batteries: Organic Solvents, Supporting Electrolytes, and Redox Pairs. Energy Environ. Sci. 8 (12), 3515-3530 (2015).
  10. Shin, S. H., Yun, S. H., Moon, S. H. A Review of Current Developments in Non-aqueous Redox Flow Batteries: Characterization of Their Membranes for Design Perspective. RSC Adv. 3 (24), 9095-9116 (2013).
  11. Cappillino, P. J., et al. Application of Redox Non-Innocent Ligands to Non-Aqueous Flow Battery Electrolytes. Adv. Energy Mater. 4 (1), 1300566 (2014).
  12. Suttil, J. A., et al. Metal Acetylacetonate Complexes for High Energy Density Non-aqueous Redox Flow Batteries. J. Mater. Chem. A. 3 (15), 7929-7938 (2015).
  13. Brushett, F. R., Vaughey, J. T., Jansen, A. N. An All-Organic Non-aqueous Lithium-Ion Redox Flow Battery. Adv. Energy Mater. 2 (11), 1390-1396 (2012).
  14. Wei, X., et al. Radical Compatibility with Nonaqueous Electrolytes and Its Impact on an All-Organic Redox Flow Battery. Angew. Chem. Int. Ed. 54 (30), 8684-8687 (2015).
  15. Nagarjuna, G., et al. Impact of Redox-Active Polymer Molecular Weight on the Electrochemical Properties and Transport Across Porous Separators in Nonaqueous Solvents. J. Am. Chem. Soc. 136 (46), 16309-16316 (2014).
  16. Wei, X., et al. TEMPO-Based Catholyte for High-Energy Density Nonaqueous Redox Flow Batteries. Adv. Mater. 26 (45), 7649-7653 (2014).
  17. Wei, X., et al. Towards High-Performance Nonaqueous Redox Flow Electrolyte Via Ionic Modification of Active Species. Adv. Energy Mater. 5 (1), 1400678 (2015).
  18. Fan, F. Y., et al. Polysulfide Flow Batteries Enabled by Percolating Nanoscale Conductor Networks. Nano Lett. 14 (4), 2210-2218 (2014).
  19. Pan, H., et al. On the Way Toward Understanding Solution Chemistry of Lithium Polysulfides for High Energy Li-S Redox Flow Batteries. Adv. Energy Mater. 5 (16), 1500113 (2015).
  20. Escalante-Garcia, I. L., Wainright, J. S., Thompson, L. T., Savinell, R. F. Performance of a Non-Aqueous Vanadium Acetylacetonate Prototype Redox Flow Battery: Examination of Separators and Capacity Decay. J. Electrochem. Soc. 162 (3), 363-372 (2015).
  21. Wei, X., et al. Microporous Separators for Fe/V Redox Flow Batteries. J. Power Sources. 218, 39-45 (2012).
  22. Skyllas-Kazacos, M., Kazacos, M. State of Charge Monitoring Methods for Vanadium Redox Flow Battery Control. J. Power Sources. 196 (20), 8822-8827 (2011).
  23. Brooker, R. P., Bell, C. J., Bonville, L. J., Kunz, H. R., Fenton, J. M. Determining Vanadium Concentrations Using the UV-Vis Response Method. J. Electrochem. Soc. 162 (4), 608-613 (2015).
  24. Petchsingh, C., et al. Spectroscopic Measurement of State of Charge in Vanadium Flow Batteries with an Analytical Model of VIV-VV Absorbance. J. Electrochem. Soc. 163 (1), 5068-5083 (2016).
  25. Duan, W., et al. A Symmetric Organic-Based Nonaqueous Redox Flow Battery and Its State of Charge Diagnostics by FTIR. J. Mater. Chem. A. 4 (15), 5448-5456 (2016).
  26. Potash, R. A., McKone, J. R., Conte, S., Abruña, H. D. On the Benefits of a Symmetric Redox Flow Battery. J. Electrochem. Soc. 163 (3), 338-344 (2016).
  27. Kim, H. S., et al. A Tetradentate Ni(II) Complex Cation as a Single Redox Couple for Non-aqueous Flow Batteries. J. Power Sources. 283, 300-304 (2015).
  28. Shinkle, A. A., Sleightholme, A. E. S., Griffith, L. D., Thompson, L. T., Monroe, C. W. Degradation Mechanisms in The Non-aqueous Vanadium Acetylacetonate Redox Flow Battery. J. Power Sources. 206, 490-496 (2012).
  29. Li, Z., et al. Electrochemical Properties of an All-Organic Redox Flow Battery Using 2,2,6,6-Tetramethyl-1-Piperidinyloxy and N-Methylphthalimide. Electrochem. Solid-State Lett. 14 (12), 171-173 (2011).
  30. Schaltin, S., et al. Towards an All-Copper Redox Flow Battery Based on a Copper-Containing Ionic Liquid. Chem. Commun. 52, 414-417 (2016).
  31. SDBS. , Available from: http://sdbs.db.go.jp (2016).
  32. Luo, Q., et al. Capacity Decay and Remediation of Nafion-based All-Vanadium Redox Flow Batteries. ChemSusChem. 6 (2), 268-274 (2013).

Tags

Chemie redox flow batterij niet-waterige symmetrische organische laadtoestand FTIR
Een protocol voor elektrochemische Evaluaties en State of Charge Diagnose van een Symmetric Organic Redox Flow Battery
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Duan, W., Vemuri, R. S., Hu, D.,… More

Duan, W., Vemuri, R. S., Hu, D., Yang, Z., Wei, X. A Protocol for Electrochemical Evaluations and State of Charge Diagnostics of a Symmetric Organic Redox Flow Battery. J. Vis. Exp. (120), e55171, doi:10.3791/55171 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter